簡析工業(yè)蒸汽冷凝水回收
蒸汽作為一種清潔、優(yōu)良、安全的熱量載體被廣泛用于工業(yè)制造的各個行業(yè)，如食品、飲料、啤酒、制藥、煙草、化工、酒店和醫(yī)院等。它除了具有安全、便于產生、輸送和控制的特點外，重要的是相比于其它工業(yè)介質其釋放熱量更加出色。用汽設備釋放的汽化潛熱，變?yōu)榻跬瑴赝瑝合碌娘柡湍Y水，由于蒸汽的使用壓力大于大氣壓力，所以凝結水所具有的熱量可達蒸發(fā)焓的25%，一般占蒸汽總熱量的20～30%左右,有些特種設備可高達40%。若能將高溫冷凝水作為鍋爐補給水循環(huán)使用或二次閃蒸汽利用,不僅可節(jié)約工業(yè)用水,而且會節(jié)約大量燃料。這樣,鍋爐在生產同樣量的蒸汽時,就可節(jié)約30～40%的燃料和20%左右的鍋爐原水且降低水處理費用、減少鍋爐煙氣的排放量,保護生態(tài)環(huán)境。
1、冷凝水的性質及相變過程
蒸汽熱能是由顯熱和潛熱兩部分組成。蒸汽釋放潛熱和少量顯熱后便被還原為高溫冷凝水。冷凝水是飽和高溫軟化水，其熱能價值占蒸汽熱能價值的25%左右，并且其又是潔凈蒸餾水，適合重新為鍋爐供水，回收再利用價值為16～25元/噸。因此，非常有必要采取有效回收系統(tǒng)，盡可能的回收熱能和軟化水，這樣不但可以節(jié)能降耗，而且可以消除因二次閃蒸汽的排放而對廠區(qū)環(huán)境造成污染，無論在經濟效益方面還是社會效益方面都具有十分重要的意義。
飽和蒸汽在進行傳遞熱量時，發(fā)生相變，由汽變?yōu)樗瑫r釋放大量潛熱，這是一個等溫冷凝的過程。例如，設備用汽壓力為4bar時，對應的蒸汽溫度為151℃,在釋放潛熱結束之后，冷凝水的溫度同樣為151℃。如果此時采用閉式回收，選擇的疏水器是在飽和點排放冷凝水，高溫冷凝水（151℃）將直接通過疏水器進入回收系統(tǒng)。如果采用開式回收系統(tǒng)，則回收系統(tǒng)壓力為大氣壓力，大氣壓下水的溫度為100℃，因此冷凝水中多余的熱量會使一部分水再次蒸發(fā)，產生二次蒸汽，不但造成環(huán)境污染，而且降低冷凝水的回收溫度。
2、冷凝水回收方式的選擇
回收方式和回收設備的選用是冷凝水回收能否達到預期目的至關重要一步。首先，必須準確掌握回收系統(tǒng)中的冷凝水量，若水量計算不準確，便會導致冷凝水回收管徑選擇不當，造成不必要的浪費。其次，要準確掌握冷凝水壓力和溫度，回收系統(tǒng)采用何種方式、何種設備、如何布置管網都與冷凝水的壓力及溫度息息相關。冷凝水回收系統(tǒng)疏水閥的選擇也是應該注意的內容，不妥的疏水閥選型會影響冷凝水的壓力和溫度，進而影響整個回收系統(tǒng)的正常運行。
3、開式冷凝水回收系統(tǒng)與閉式冷凝水回收系統(tǒng)的性能比較
3.1開式冷凝水回收系統(tǒng)的缺點
3.1.1為了減輕氣蝕危害，開式冷凝水回收系統(tǒng)通常將冷凝水溫度降到75℃左右，而這需要飽和冷凝水在大氣壓下二次閃蒸，造成能量損失，進而導致蒸汽熱源利用率不足60%，而且二次閃蒸會使周邊環(huán)境霧氣彌漫，排放的廢氣對水資源、設備和環(huán)境資源都會造成二次污染或損壞。
3.1.2高溫冷凝水具有很高的脫鹽度，是理想的鍋爐補給水，在不回收或開式回收中卻以二次蒸汽的形式白白浪費。在鍋爐運行時，一方面為了保持蒸汽品質良好，防止受熱面結垢，必須對鍋爐進行適當排污。另一方面，鍋爐排污越多，造成熱能、給水和藥劑的損失就越多。若用開放式冷凝水回收系統(tǒng)回收純凈、雜質含量極低的凝結水，對鍋爐來說，凝結水回收率低，雜質含量可增加3～5倍，由此可增加鍋爐排污量。
3.1.3根據水中氧含量與溫度和壓力的關系，常壓下，水溫升高60℃，含氧量可降低66%～80%，能夠顯著減少鍋爐的氧腐蝕。若選用開放式回收系統(tǒng)回收冷凝水，冷凝水與大氣接觸后會再次遭到污染,氧氣的再次溶入會導致管路系統(tǒng)內外腐蝕及電導率的變化，縮短設備使用壽命，降低凝結水的品質，甚至使其達不到脫鹽水的標準，喪失了潔凈蒸汽冷凝水的品質。
3.1.4無法有效避免水泵氣蝕難題，縮短水泵壽命，影響其他設備運行。
3.2閉式冷凝水回收系統(tǒng)的優(yōu)點
3.2.1鍋爐補水一般需要采用離子交換軟化處理，對于堿度較高的原水還需降堿處理。原水硬度越高，水處理費用越高。若原水平均硬度以4mmol/l計，則每噸水軟化處理費用約2.5元（其中包括再生劑消耗、再生水耗、樹脂損耗及耗電等，而不包括設備和樹脂等投資、維修及操作人員費用）。將蒸汽凝結水回收后作鍋爐給水，便可減少補給水處理量，不但節(jié)約用水，而且降低水處理費用，此外，還可縮小或簡化補給水處理系統(tǒng)，節(jié)省投資。
3.2.2鍋爐運行時，水中允許的雜質含量被確定后，鍋爐排污率大小則取決于水中雜質的含量。對于工業(yè)鍋爐來說，正常情況下，當凝結水回收作給水時，回收率越高，給水品質越好，一般雜質含量可降低5～10倍，由此可大大降低鍋爐排污率。對于加藥處理的鍋爐，利用冷凝水給水時能顯著降低給水硬度，減少防垢處理的藥劑用量，防止鍋爐結垢。
3.2.3一般蒸汽冷凝水的溫度較高，在適當?shù)谋卮胧┫拢厮疁囟瓤蛇_60℃或以上，而初始給水溫度只有10℃～25℃，兩者溫度相差50℃左右。因此，用凝結水給水可大量節(jié)約能源，減少燃料費用，尤其對于燃油、燃氣鍋爐來說，獲得的經濟效益更為顯著。
3.2.4水中的溶解氧是鍋爐運行時發(fā)生腐蝕的主要因素之一。目前較常用的除氧方法為熱力除氧和化學除氧。在一定壓力下，氧在水中的溶解度隨著水溫升高而降低。冬季鍋爐負荷較大的情況下，若給水全部為軟化水，無論是熱力除氧還是化學除氧，效果往往都難以達到合格標準。而若利用凝結水作為鍋爐補水，不但可提高水溫，而且冷凝水中的溶解氧含量較低，可確保給水氧含量達到合格標準。
3.2.5閉式回收減少煤炭、天然氣、油的使用量，降低了排放到大氣中的二氧化碳量，有效實現(xiàn)節(jié)能減排。
4、二次蒸汽回收量分析
運行一臺8t/h鍋爐，汽壓維持在4bar時，對應飽和點溫度為151℃，顯熱為640.7kj/kg，水在0bar時顯熱為419kj/kg，則過剩的能量為640.7kj/kg-419kj/kg=221.7kj/kg。因為這部分能量不能存在于水中，它便成為新的壓力下蒸發(fā)潛熱的一部分，水吸收這些熱量后進行閃蒸，變成二次蒸汽。水在0bar時潛熱為2257kj/kg，閃蒸率為221.7kj/kg÷2257kj/kg=9.8%，也就是說回收的冷凝水中約有9.8%的水以閃蒸汽的形式存在。若按平均蒸汽耗量6000kg/h,冷凝水回收率為80%，鍋爐每天運行16小時，每月工作30天計算，每年可利用的的閃蒸汽量約4741.7t。按燃氣鍋爐蒸汽成本每噸200.00元，僅每年可回收利用二次蒸汽的價值可達95萬元(4741.7t×200.00元=95萬元)。這樣二次蒸汽被*回收利用，廠區(qū)內沒有了“霧氣籠罩，白煙滾滾”的現(xiàn)象，工作環(huán)境也變得更加舒適美觀。
5、高溫冷凝水的回收量分析
按鍋爐每天運行16小時，每月工作30天，運行一臺8t/h鍋爐，每小時平均蒸汽耗量6000kg/h，按冷凝水回收率為80%等指標測算，每年可節(jié)約費用如下：
5.1節(jié)約鍋爐用水費
按照回收的冷凝水量為6000kg/h×80%×16h×30天/月×12月=27648t/年，水費按2.5元/t計算，則一年節(jié)省的水費為27648t/年×2.5元/t=69120.0元/年。
5.2節(jié)約水處理成本費
如冷凝水不回收，則須對補充自來水進行軟化、除氧等處理。將鍋爐水處理的費用按2.5元/t計算，這部分費用為27648t/年×2.5元/t=69120.00元/年，由此可見，實現(xiàn)冷凝水回收，每年節(jié)約軟化水處理費69120.00元。
5.3節(jié)約鍋爐燃料費
加熱1kg自來水使之到達85℃所需的能量為1kg×85℃×4.2kj/kg·℃=357kj，按照每年回收27648t冷凝水量進行鍋爐補水,將其加熱到85℃所需熱量為357kj/kg×27648t=9870336000kj。天然氣熱值為35588kj/m3，鍋爐效率80％，則消耗的總燃料為9870336000/(0.8×35588) =346687.6 m3/年，天然氣價格按2.8元/m3計算，則每年可節(jié)省的天然氣金額為2.8元/m3×346687.6 m3/年= 970725.28元/年。
6、結論
冷凝水的回收利用與前端用汽設備有著極其緊密的關聯(lián)，因此要從系統(tǒng)的實用性、合理性角度進行考慮和設計。同任何節(jié)能措施一樣，堅決避免將節(jié)能改造變成負擔。要想實現(xiàn)穩(wěn)定的節(jié)能收益，在短時間內收回投資成本，就需要有成熟完善的方案和高品質的設備為保障。另外、冷凝水回收是蒸汽系統(tǒng)節(jié)能的重要內容，也是蒸汽投資回收潛力巨大的部分之一。隨著工業(yè)生產水平的提高和環(huán)保意識增強等因素的影響，已將其列為強制改造項目。
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蒸汽熱能是由顯熱和潛熱兩部分組成。蒸汽釋放潛熱和少量顯熱后便被還原為高溫冷凝水。冷凝水是飽和高溫軟化水，其熱能價值占蒸汽熱能價值的25%左右，并且其又是潔凈蒸餾水，適合重新為鍋爐供水，回收再利用價值為16～25元/噸。因此，非常有必要采取有效回收系統(tǒng)，盡可能的回收熱能和軟化水，這樣不但可以節(jié)能降耗，而且可以消除因二次閃蒸汽的排放而對廠區(qū)環(huán)境造成污染，無論在經濟效益方面還是社會效益方面都具有十分重要的意義。
飽和蒸汽在進行傳遞熱量時，發(fā)生相變，由汽變?yōu)樗瑫r釋放大量潛熱，這是一個等溫冷凝的過程。例如，設備用汽壓力為4bar時，對應的蒸汽溫度為151℃,在釋放潛熱結束之后，冷凝水的溫度同樣為151℃。如果此時采用閉式回收，選擇的疏水器是在飽和點排放冷凝水，高溫冷凝水（151℃）將直接通過疏水器進入回收系統(tǒng)。如果采用開式回收系統(tǒng)，則回收系統(tǒng)壓力為大氣壓力，大氣壓下水的溫度為100℃，因此冷凝水中多余的熱量會使一部分水再次蒸發(fā)，產生二次蒸汽，不但造成環(huán)境污染，而且降低冷凝水的回收溫度。
2、冷凝水回收方式的選擇
回收方式和回收設備的選用是冷凝水回收能否達到預期目的至關重要一步。首先，必須準確掌握回收系統(tǒng)中的冷凝水量，若水量計算不準確，便會導致冷凝水回收管徑選擇不當，造成不必要的浪費。其次，要準確掌握冷凝水壓力和溫度，回收系統(tǒng)采用何種方式、何種設備、如何布置管網都與冷凝水的壓力及溫度息息相關。冷凝水回收系統(tǒng)疏水閥的選擇也是應該注意的內容，不妥的疏水閥選型會影響冷凝水的壓力和溫度，進而影響整個回收系統(tǒng)的正常運行。
3、開式冷凝水回收系統(tǒng)與閉式冷凝水回收系統(tǒng)的性能比較
3.1開式冷凝水回收系統(tǒng)的缺點
3.1.1為了減輕氣蝕危害，開式冷凝水回收系統(tǒng)通常將冷凝水溫度降到75℃左右，而這需要飽和冷凝水在大氣壓下二次閃蒸，造成能量損失，進而導致蒸汽熱源利用率不足60%，而且二次閃蒸會使周邊環(huán)境霧氣彌漫，排放的廢氣對水資源、設備和環(huán)境資源都會造成二次污染或損壞。
3.1.2高溫冷凝水具有很高的脫鹽度，是理想的鍋爐補給水，在不回收或開式回收中卻以二次蒸汽的形式白白浪費。在鍋爐運行時，一方面為了保持蒸汽品質良好，防止受熱面結垢，必須對鍋爐進行適當排污。另一方面，鍋爐排污越多，造成熱能、給水和藥劑的損失就越多。若用開放式冷凝水回收系統(tǒng)回收純凈、雜質含量極低的凝結水，對鍋爐來說，凝結水回收率低，雜質含量可增加3～5倍，由此可增加鍋爐排污量。
3.1.3根據水中氧含量與溫度和壓力的關系，常壓下，水溫升高60℃，含氧量可降低66%～80%，能夠顯著減少鍋爐的氧腐蝕。若選用開放式回收系統(tǒng)回收冷凝水，冷凝水與大氣接觸后會再次遭到污染,氧氣的再次溶入會導致管路系統(tǒng)內外腐蝕及電導率的變化，縮短設備使用壽命，降低凝結水的品質，甚至使其達不到脫鹽水的標準，喪失了潔凈蒸汽冷凝水的品質。
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3.2.2鍋爐運行時，水中允許的雜質含量被確定后，鍋爐排污率大小則取決于水中雜質的含量。對于工業(yè)鍋爐來說，正常情況下，當凝結水回收作給水時，回收率越高，給水品質越好，一般雜質含量可降低5～10倍，由此可大大降低鍋爐排污率。對于加藥處理的鍋爐，利用冷凝水給水時能顯著降低給水硬度，減少防垢處理的藥劑用量，防止鍋爐結垢。
3.2.3一般蒸汽冷凝水的溫度較高，在適當?shù)谋卮胧┫拢厮疁囟瓤蛇_60℃或以上，而初始給水溫度只有10℃～25℃，兩者溫度相差50℃左右。因此，用凝結水給水可大量節(jié)約能源，減少燃料費用，尤其對于燃油、燃氣鍋爐來說，獲得的經濟效益更為顯著。
3.2.4水中的溶解氧是鍋爐運行時發(fā)生腐蝕的主要因素之一。目前較常用的除氧方法為熱力除氧和化學除氧。在一定壓力下，氧在水中的溶解度隨著水溫升高而降低。冬季鍋爐負荷較大的情況下，若給水全部為軟化水，無論是熱力除氧還是化學除氧，效果往往都難以達到合格標準。而若利用凝結水作為鍋爐補水，不但可提高水溫，而且冷凝水中的溶解氧含量較低，可確保給水氧含量達到合格標準。
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4、二次蒸汽回收量分析
運行一臺8t/h鍋爐，汽壓維持在4bar時，對應飽和點溫度為151℃，顯熱為640.7kj/kg，水在0bar時顯熱為419kj/kg，則過剩的能量為640.7kj/kg-419kj/kg=221.7kj/kg。因為這部分能量不能存在于水中，它便成為新的壓力下蒸發(fā)潛熱的一部分，水吸收這些熱量后進行閃蒸，變成二次蒸汽。水在0bar時潛熱為2257kj/kg，閃蒸率為221.7kj/kg÷2257kj/kg=9.8%，也就是說回收的冷凝水中約有9.8%的水以閃蒸汽的形式存在。若按平均蒸汽耗量6000kg/h,冷凝水回收率為80%，鍋爐每天運行16小時，每月工作30天計算，每年可利用的的閃蒸汽量約4741.7t。按燃氣鍋爐蒸汽成本每噸200.00元，僅每年可回收利用二次蒸汽的價值可達95萬元(4741.7t×200.00元=95萬元)。這樣二次蒸汽被*回收利用，廠區(qū)內沒有了“霧氣籠罩，白煙滾滾”的現(xiàn)象，工作環(huán)境也變得更加舒適美觀。
5、高溫冷凝水的回收量分析
按鍋爐每天運行16小時，每月工作30天，運行一臺8t/h鍋爐，每小時平均蒸汽耗量6000kg/h，按冷凝水回收率為80%等指標測算，每年可節(jié)約費用如下：
5.1節(jié)約鍋爐用水費
按照回收的冷凝水量為6000kg/h×80%×16h×30天/月×12月=27648t/年，水費按2.5元/t計算，則一年節(jié)省的水費為27648t/年×2.5元/t=69120.0元/年。
5.2節(jié)約水處理成本費
如冷凝水不回收，則須對補充自來水進行軟化、除氧等處理。將鍋爐水處理的費用按2.5元/t計算，這部分費用為27648t/年×2.5元/t=69120.00元/年，由此可見，實現(xiàn)冷凝水回收，每年節(jié)約軟化水處理費69120.00元。
5.3節(jié)約鍋爐燃料費
加熱1kg自來水使之到達85℃所需的能量為1kg×85℃×4.2kj/kg·℃=357kj，按照每年回收27648t冷凝水量進行鍋爐補水,將其加熱到85℃所需熱量為357kj/kg×27648t=9870336000kj。天然氣熱值為35588kj/m3，鍋爐效率80％，則消耗的總燃料為9870336000/(0.8×35588) =346687.6 m3/年，天然氣價格按2.8元/m3計算，則每年可節(jié)省的天然氣金額為2.8元/m3×346687.6 m3/年= 970725.28元/年。
6、結論
冷凝水的回收利用與前端用汽設備有著極其緊密的關聯(lián)，因此要從系統(tǒng)的實用性、合理性角度進行考慮和設計。同任何節(jié)能措施一樣，堅決避免將節(jié)能改造變成負擔。要想實現(xiàn)穩(wěn)定的節(jié)能收益，在短時間內收回投資成本，就需要有成熟完善的方案和高品質的設備為保障。另外、冷凝水回收是蒸汽系統(tǒng)節(jié)能的重要內容，也是蒸汽投資回收潛力巨大的部分之一。隨著工業(yè)生產水平的提高和環(huán)保意識增強等因素的影響，已將其列為強制改造項目。
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